MIT-NANO. Investigations on a multiscale integration technique for one dimensional nanostructures
Final Report Abstract
Im Projekt MIT Nano konnte erfolgreich ein neuartiges Konzept für den Aufbau einer 3D mikrostrukturierten Li-Ionen Batterie vorgestellt und teilweise, d.h. auf Halbzellenniveau (derzeit Kathode, Anode getrennt) realisiert werden. Die Anode wurde aus mikrostrukturierten vertikal angeordneten Kohlenstoffnanoröhren (sog. VACNT) aufgebaut. Diese wurden erfolgreich auf einem Cu-Stromsammler strukturiert und abgeschieden. Halbzellenmessungen dieser Strukturen zeigten eine bis zum 2 ½- fachen verbesserte spezifische Kapazität solcher VACNT Anordnungen im Vergleich zu randomisiert abgeschiedenen CNT wie sie typischerweise bislang verwendet werden. Durch die spezifische Wahl einer haftenden Zwischenschicht vor der Abscheidung gelang zudem das direkte Wachstum auf dem Stromsammler ohne zusätzliches Bindermaterial. Dies ermöglicht eine höhere spezifische Kapazität aufgrund eines besseren Füllgrades der Anode aufgrund des fehlenden Binders (typischerweise bis zu 10% Binder Ersparnis). Diese VACNT Anoden zeigen eine spezifische Kapazität von 650 mAhg^-1. Auf der Kathodenseite gelang es durch eine Templat-assistierte Elektrodeposition Platin Nanodrähte und –röhren zu erzeugen und diese mit dem elektroaktiven Kathodenmaterial LiCoO2 zu beschichten. Dabei ist es möglich, die Nanodrähte und –röhren sowohl unvernetzt mit einem guten Zugang zur Oberfläche mit als auch schräg vernetzt mit höherer mechanischer Stabilität herzustellen. Das über einen Sol-Gel-Prozess hergestellte Aktivmaterial konnte bei erhöhter Temperatur als die günstigere HT-Phase erhalten werden. Dazu gelang es, die Homogenität der Aufbringung durch Verwendung einer mit Ultraschall behandelter Suspension zu erhöhen. Als Alternative dazu erwies sich die direkte Aufbringung des Precursors auf die Nanodrähte und die anschließende lokale Kalzinierung. Dabei konnte beobachtet werden, dass die sich bildende Oxidschicht die Pt-Nanodrähte bei höheren Temperaturen vor thermischer Instabilität schützt. Halbzellenmessungen solcher 3D-Kathoden auf Platinnanodrahtbasis zeigen eine deutliche Verbesserung der Kapazität im Vergleich z.B. zu gesputterten Platin Elektroden. Die hohe Anfangskapazität, insbesondere im Vergleich mit der 2D-Variante, ist auf die erhöhte, zur Verfügung stehende Oberfläche des Netzwerks zurückzuführen. Zu Verbessern bleibt hier aber die Stabilität der Elektrode über die Zyklenzahl. Zusammenfassend konnte im Projekt gezeigt werden, dass das Wachstum sowohl von angeordneten und mikrostrukturierten VACNT Materialien als auch die Erzeugung mikrostrukturierter Nanodrahtgeometrien und deren Testung in Halbzellenanordnungen von Li-Ionen Batterien das Potential hat und damit auch die Möglichkeit zur Herstellung von 3D-mikrostrukturierten Elektroden für zukünftige extrem miniaturisierte Stromspeicher eröffnet.
Publications
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„Ladezeitverkürzung von Batterien durch Nanostrukturierung der Elektrodenoberflächen“, in MikroSystemTechnik Kongress 2017, München, Unterschleißheim, Deutschland, 2017, S. 464–467
K. Wick und H. F. Schlaak
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„Electroless Synthesis of Highly Stable and Free-Standing Porous Pt Nanotube Networks and their Application in Methanol Oxidation“, in ChemElectroChem. (2018) 1–12
T. Walbert, M. Antoni, F. Muench, T. Späth, W. Ensinger
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„Charakterisierung eindimensionaler Nanostrukturen durch Verfahren der Bildverarbeitung“, in MikroSystemTechnik Kongress 2019, Berlin, 2019, S. 581–584
D. Haas, K. Wick, und H. F. Schlaak
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„Modellierung der Oberflächenvergrößerung eindimensionaler Nanostrukturen“, in MikroSystemTechnik Kongress 2019, Berlin, 2019, S. 274–277
K. Wick und H. F. Schlaak
